吳靜，陸正禹，胡紀萃，顧夏聲
(清華大學環境科學與工程系，北京100084) 摘要：內循環厭氧反應器容積負荷高，占地面積少，在處理土豆加工廢水時的容積負荷約為35～50 kgCOD/(m3·d)，處理啤酒廢水時的容積負荷達到了15～ 30 kgCOD/(m3·d)，是一種值得推廣的新技術。
關鍵詞：內循環厭氧反應器；高濃度有機廢水；水力模型
中圖分類號：X703
文獻標識碼：B
文章編號：1000-4602(2001)01-0026-04 內循環(Internal Circulation，IC)厭氧反應器于20世紀80年代中期由荷蘭PAQUES公司開發成功，并推入國際廢水處理工程市場，可用于處理土豆加工、啤酒、食品、檸檬酸等廢水。反應器高度約為16～25 m，容積負荷為普通升流式厭氧污泥床(UASB)的4倍左右［1］，占地少，是一種值得推廣的新型反應器。 1 反應器的構造與特點 IC厭氧反應器是在UASB反應器的基礎上發展而來的，結構見圖1。 
圖1 IC厭氧反應器示意圖 IC厭氧反應器和UASB反應器一樣，能夠形成高生物活性的厭氧顆粒污泥，但不同的是這種反應器內部還能夠形成流體循環，其形成過程如下：
進水由底部進入第一反應區與顆粒污泥混合，大部分有機物在此被降解，產生大量沼氣，沼氣被下層三相分離器收集，由于產氣量大和液相上升流速較快，沼氣、廢水和污泥不能很好分離，形成了氣、固、液混合流體。又由于氣液分離器中的壓力小于反應區壓力 ，混合液體在沼氣的夾帶作用下進入氣液分離器中，在此大部分沼氣脫離混合液外排，混合流體的密度變大，在重力作用下通過回流管回到第一反應區的底部，與第一反應區的廢水 、顆粒污泥混合，從而實現了流體在反應器內部的循環。內循環使得第一反應區的液相上升 流速大大增加，可以達到10～20 m/h［2］。
第二反應區的液相上升流速小于第一反應區，一般僅為2～10 m/h［2］。這個區域除了繼續進行生物反應之外，由于上升流速的降低，還充當第一反應區和沉淀區之間的緩沖段，對解決跑泥、確保沉淀后出水水質起著重要作用。
IC厭氧反應器與UASB反應器相比具有以下優點：①有機負荷高。內循環提高了第一反應區的液相上升流速，強化了廢水中有機物和顆粒污泥間的傳質，使IC厭氧反應器的有機負荷遠遠高于普通UASB反應器。②抗沖擊負荷能力強，運行穩定性好。內循環的形成使得IC厭氧反應器第一反應區的實際水量遠大于進水水量，例如在處理與啤酒廢水濃度相當的廢水時，循環流量可達進水流量的2～3倍；處理土豆加工廢水時，循環流量可 達10～20倍［2］。循環水稀釋了進水，提高了反應器的抗沖擊負荷能力和酸堿調節能力，加之有第二反應區繼續處理，通常運行很穩定。③基建投資省，占地面積少。在處理相同廢水時，IC厭氧反應器的容積負荷是普通UASB的4倍左右，故其所需的容積僅為UASB的1/4～1/3，節省了基建投資。加上IC厭氧反應器多采用高徑比為4～8的瘦高型塔式外形［1］，所以占地面積少，尤其適合用地緊張的企業。④節能。IC厭氧反應器的內循 環是在沼氣的提升作用下實現的，不需外加動力，節省了回流的能源。 2 水力模型 IC厭氧反應器內部能夠形成循環，并且水力混合劇烈，這一點與現有的氣升式反應器(Airlift Reactor)很相似。于是Pereboom等人于1994年在氣升式反應器水力模型的基礎上提出了IC厭氧反應器的水力模型，形式如下[3］：  式中εgr——升流管中的持氣率，%
hD——氣—液擴散高度，m
εgd——回流管中的持氣率，%
KT——頂部阻力損失系數
KB——底部阻力損失系數
Ar——升流管面積，m2
Ad——回流管面積，m2
ΔH——升流管與回流管間的液位差，m
Ugr——升流管中的表觀氣相上升速度，m/s
ULr——升流管中的表觀液相上升速度，m/s 式(1)是關于氣升式反應器的著名經驗公式，1976年由Hills得到。式(2)的原型式(3)是基于氣升式反應器能量守恒提出的理論方程，這一方程也得到了廣泛認可。  3 工程應用實例 3.1處理土豆加工廢水
土豆加工廢水是一種典型的高濃度有機廢水，生產時主要產生高、低濃度兩種廢水，其中高濃度廢水中含有氨基酸、蛋白質、糖類、酰胺類、鉀鹽和纖維素等多種化合物 ；低濃度廢水主要是洗滌水。土豆加工廢水具有COD含量高、可生化性強的特點，其水 質特征見表1。 表1 土豆加工廢水的特征［4］| 種類 | 溫度
(℃) | pH | COD
(g/L) | BOD
( g/L) | BOD/COD | TP(%) | TN(%) | PO43-
(%) | 總S
(g/L) | TSS
(g/L) | | 高濃度廢水 | 15 | | 54 | 34 | 0.63 | 0.55 | 3.6 | 0.15 | 0.125 | | | 低濃度廢水 | 10～14 | 5.7 | 1.8 | 0.55 | 0.31 | | 0.086 | | | 0.4 | IC厭氧反應器最先用于土豆加工廢水的處理。1985年荷蘭建成的第一個中試IC厭氧反應器以及其后建造的100 m3的IC厭氧反應器［3］都處理這種廢水，從運行結果看(見表2)，IC厭氧反應器的容積負荷達到了35～50 kgCOD/(m3·d)，而處理同類廢水的UASB反應器的容積負荷僅為10～15 kgCOD/(m3·d)，停留時間前者為4～6 h，而后者需要十幾到幾十小時。 表2 IC厭氧反應器和UASB反應器處理土豆加工廢水的運行結果| 編號 | 反應器類型 | 反應器 | 進水COD*(mg/L) | 運行溫 度(℃) | HRT(h) | 容積負荷［kgCOD/(m3·d)］ | ηCOD(%) | | 容積(m3) | 高(m) | | 1 | IC | 17 | 16.6 | 3500～9000 | 30～35 | 4～6 | 35～50 | 75～90 | | 2［3］ | IC | 100 | 15 | 6000～8000 | | 4 | 48 | 85 | | 3［4］ | UASB | 800 | 6 | 10000 | 40 | 18.3 | 15 | 90～95 | | 4［4］ | UASB | 1700 | | 17800 | 33 | 41.5 | 10.3 | 78 | 注 *高、低濃度混合廢水的COD值。 | 3.2 處理啤酒廢水
啤酒廢水的高濃度部分來自糖化和發酵車間，COD濃度約為2 000～4 000 mg/L；低濃度部分的廢水量大，COD濃度僅為300～800 mg/L。啤酒廢水的BOD/COD值在0.7左右，且不含明顯抑制厭氧微生物生長的物質，可生化性強［4］。表3給出了兩家啤酒 廠的廢水水質。 表3 啤酒廢水水質［4］| 編號 | 溫度
(℃) | pH | 堿度
(CaCO3，mg/L) | COD*
(g/L) | BOD5**(g/L) | BOD5/COD | TP
(mg/L) | PO3-4 (%) | TN
(mg/L) | 氨氮(mg/L) | TSS
(g/L) | 啤酒
廠
1 | 19～28 | 8 | 120 | 1.0～3.0 | 1.2 | 0.6 | 微量 | 微量 | 40～50 | 20 | 1 | | 啤酒廠2 | 23～26 | 8.5～9.5 | 120 | 1.1～1.3 | 0.74～1.0 | 0.72 | 10～20 | | 30～50 | | 0.7 | 注 *高、低濃度混合廢水的COD，**高、低濃度混合廢水的BOD5。 | 全球已建成的IC厭氧反應器大部分用于處理啤酒廢水，目前中國已有三家啤酒廠引進了此工 藝。IC厭氧反應器和UASB反應器處理啤酒廢水的對比情況見表4。由表4可見，IC厭氧反 應器處理啤酒廢水的容積負荷可達15～30 kgCOD/(m3·d)，水力停留時間為2～4.2 h，CO D去除率在75%以上；而處理啤酒廢水的UASB反應器的容積負荷一般僅為4～7 kgCOD/(m3 ·d)。 表4 IC厭氧反應器和UASB反應器處理啤酒廢水的運行結果 | 廠名 | 反應
器類
型 | 厭氧反應器 | 進水 | 容積負荷
［kgCOD/(m3·d)］ | HRT
(h) | ηCOD
(%) | 反應
溫度
(℃) | | 容積(m3) | 高(m) | COD
(g/L) | SS(g /L) | pH | 上海富仕達
啤酒廠［5 ］ | IC | 400 | 20.5 | 2 | 0.1～0.6 | 4～10 | 15 | 2 | * | | 沈陽華潤雪花
啤酒有限公司［6］ | IC | 70 | 16 | 4.3 | 0.29 | 4.5～6.5 | 25～30 | 4.2 | 80 | 中溫 | | 國外啤酒廠甲［3］ | IC | 162 | 20 | 2.0 | 0.3 ～0.5 | | 24 | 2.1 | 80 | 31 | | 國外啤酒廠乙［3］ | IC | 50 | 22 | 1.6 | 0.4～0.6 | | 20 | 2.3 | 85 | 24～28 | | 北京啤酒廠［4］ | UASB | 2000 | | 2 | 0.5 | | 4.3 | 11.2 | 80以上 | 常溫 | 荷蘭Bavaria B.V.
啤酒廠［4］ | UASB | 1400 | 6. 5 | 1.0～1.5 | 0.2～0.3 | 6～10 | 4.5～7 | 3.4～8 | 75～80 | | | 注*該廠的IC厭氧反應器后接好氧處理系統，總出水COD為75 mg/L，COD的去除率為96.3%。 |
3.3 處理菊苣加工廢水
位于荷蘭Roosendaal的一家菊苣加工廠產生的菊苣加工廢水中有機物含量和含鹽量均很高(進水COD約7 900 mg/L，SO42-為250 mg/L，Cl-為4 200 mg/L) 。該廠采用高22 m，容積1100 m3的IC厭氧反應器，每天處理8 000 m3廢水，容積負荷達到31 kgCOD/(m3·d)，COD去除率在80%以上，平均停留時間僅6.1 h［2］。 4 關于IC厭氧反應器的幾點看法 綜上所述，IC厭氧反應器具有高效、占地少等優點，并在土豆加工、啤酒等廢水的處理中 都有出色表現，無錫羅氏中亞檸檬酸廠的IC厭氧反應器處理效果也很顯著，這些資料說明該 項技術已經成熟。而從理論研究的角度看，IC厭氧反應器已擁有水力模型，可用于指導設計 和調試運行。然而，IC厭氧反應器仍有不少值得研究的地方：
①從構造上看，IC厭氧反應器比UASB反應器復雜，施工和安裝要求更高、難度更大。高徑比大就意味著進水泵的能量消耗大，運行費用高，所以反應器的選擇必須從建設投資和運 行費等各方面進行綜合考慮。
②水力模型的合理性和實用性有待研究。該水力模型的原型是氣升式反應器的水力模型，這個模型建立的基礎是不考慮循環過程中的壁面磨損以及只考慮廢水從升流管向降流管和從降流管向升流管流動處的局部損失。這種簡化在氣升式反應器中由于升流管和降流管的直徑較大，是可以接受的，并且也獲得了試驗的證明，但IC厭氧反應器的升流管和降流管的直徑十分有限，這種簡化就不盡合理。從IC厭氧反應器的模型上看，Pereboom等人只考慮了氣體提升作用，即升流管與降流管間的液位差(ΔH)對反應器水力特征的影響，并未作出相應的理論證明或試驗驗證，所以模型本身有待進一步研究。從模型的實用性上考慮，計算過程需用迭代法而比較復雜；計算參數的確定也有難度，例如現有的KB的經驗式只適用于氣升式反應器，是否可以用于IC厭氧反應器不得而知，公開的KB只有兩個，分別是8和32，相差較大，難以構造恰當的經驗式。
③顆粒污泥在IC厭氧反應器中仍占有重要地位。它與處理同類廢水的UASB反應器中的顆粒污泥相比，具有顆粒較大、結構較松散、強度較小等特點，尚未發現更進一步的研究報道。對IC厭氧反應器顆粒污泥的研究可能會成為現有顆粒污泥理論的有力證據或有益補充，具有較大的學術價值。國內引進的IC厭氧反應器均采用荷蘭進口顆粒污泥接種，所以為降低工程造價，也需進一步掌握在IC厭氧反應器的水力條件下培養活性和沉降性能良好的顆粒污泥的關鍵技術。
④IC厭氧反應器由于回流的稀釋作用應該比UASB反應器更適于處理難降解有機物，但目前 只有處理高含鹽廢水(菊苣加工廢水)的報道，絕大部分IC厭氧反應器用于處理易降解的啤酒、檸檬酸等廢水，所以IC厭氧反應器的應用領域有待開拓。 參考文獻：
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電話：(010)62789747
E-mail:lxorb@263.net
收稿日期：2000-05-15 | 
